XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Знакомство с акустической левитацией и перспективами ее применения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Колесников Т.И. 1

---

1МБОУ "СОШ № 2" п. Палатка

Костылева Е.Е. 1

---

1МБОУ "СОШ № 2" п. Палатка

Работа в формате PDF

1.1 MB

Введение

Наш проект родился из обычного любопытства к научным экспериментам, которыми полон интернет. Всё началось с визуально эффектных роликов, где мелкие объекты — капли воды, шарики пенопласта — зависали и удерживались в воздухе, словно нарушая законы физики. Это зрелище, больше похожее на магию, не давало мне покоя. Я показал одно из таких видео отцу, и оно захватило его не меньше. Именно тогда, объединив интерес, мы и решили разобраться: как же это работает на самом деле?

Изучение данного явления показало, что в основе лежит не магия, а строгая физика. Раздел, изучающий данный эффект называется акустическая левитация. Нас с отцом увлекла идея не просто понять теоретические основы, но и попытаться воспроизвести это на практике.

Мы поставили цель: изучить историю вопроса, принципы работы акустического левитатора и, собрав собственную экспериментальную установку, наглядно продемонстрировать это удивительное явление.

Цель исследования: познакомиться с явлением акустической левитации и выявить ее роль в жизни людей.

Задачи исследования:

1. Собрать информацию и изучить литературу по данной теме.

2. Рассмотреть природу акустической левитации.

3. Собратьпрототип прибора и продемонстрировать в действии эффект акустической левитации.

Объект исследования: акустический левитатор.

Предмет исследования: перспективы использования акустической левитации.

Методыисследования: изучение литературы, анализ и обобщение, эксперимент.

Гипотеза: могу предположить, что явление акустической левитации обладает потенциалом в развитии различных направлений науки.

1. Акустическая левитация

1. 1. Понятие акустической левитации

Акустическая левитация – это метод бесконтактного удержания небольших объектов в стоячей акустической волне против действия силы тяжести.

В ее основе лежат следующие физические законы:

1. Звуковое давление. Двигаясь в какой-либо среде, например, в воздухе, звуковая волна создает зоны повышенного и пониженного давления.

2. Стоячая звуковая волна. Возникает при пересечении звуковых волн одинаковой частоты и амплитуды друг с другом, в результате чего формируется неподвижная волновая картина, которая характеризуется наличием:

а) пучности – область с максимальной амплитудой колебаний частиц среды и максимальным перепадом звукового давления;

б) узлов – область, где перепад давления и амплитуда близки к нулю.

3. Акустическая радиационная сила. Нелинейный эффект взаимодействия объекта со звуковым полем. Простыми словами это можно описать следующим образом: на объект, помещенный в неоднородное звуковое поле, действуют силы со стороны областей высокого и низкого давления. Из-за разницы в интенсивности на противоположных сторонах объекта возникает сила, направленная в области с меньшей интенсивностью. В стоячей звуковой волне такой областью являются узлы звукового давления. Именно там силы, действующие на объект со всех сторон, уравновешиваются, создавая устойчивые точки левитации.

Таким образом, акустический левитатор создает звуковую ловушку, в которой объект исследования может быть стабильно подвешен.

1. 2. Открытие эффекта акустической левитации

История изучения сил звукового давления насчитывает более века, и ключевой вклад в нее внес британский ученый, физик-механик Джон Уильям Страетт (1842-1919). В своем труде «Теориия звука» (1877 год) он дал теоретическое описание силы, действующей на препятствие в звуковом поле. Его работы заложили основу для дальнейшего изучения явления.

В своем эксперименте Джон Уильям Стретт использовал ультразвуковой излучатель и отражатель для создания стоячей волны в воздухе и продемонстрировал левитацию капель жидкости и мелких твердых частиц.

1. 2. Современные исследования и технологии

Сегодня исследования в данной области переживают новый рассвет, связанный с развитием вычислительной техники и возможностями современного оборудования.

Лаборатория профессора Тиан Юнцзюнь в Северо-Западном Политехническом университете (Китай) разрабатывает сложные системы с множеством излучателей, позволяющие не только удерживать, но и дистанционно манипулировать объектом – перемещать, вращать и ориентировать.

Профессор Брюс Дринкуотер и доктор Асьер Марцо (Великобритания) вместо единичных излучателей используют массивы из сотен маленьких излучателей. Подавая на каждый из них сигнал с определенными задержками, создают сложные звуковые поля. Это создает так называемые акустические щипцы, позволяющие захватывать несколько частиц одновременно и формировать из них объемные фигуры.

Космические агентства (НАСА, ЕКА и др.) Используют акустическую левитацию для экспериментов в условиях микрогравитации. В космосе в условиях отсутствия сил гравитации акустические силы позволяют управлять жидкостями и материалами без контакта со стенками контейнеров. Это критически важно для изучения свойств расплавленных металлов или создания новых материалов.

2. Применение акустического левитатора

2. 1. Сборка прототипа акустического левитатора

Целью нашего исследования является демонстрация эффекта акустической левитации.

На первом этапе практической части работы мы занялись изучением литературы и руководства по сборке данного прибора.

Вторым этапом работы стало конструирование акустического левитатора и проведение эксперимента с ним. Для этого нам понадобились следующие материалы:

• источник постоянного тока на 12 В;

• плата Arduino Nano;

• плата L249N;

• ультразвуковой излучатель 2 шт.

Ультразвуковые излучатели должны быть расположены строго перпендикулярно друг другу. Расстояние между ними должно быть равно половине длины волны.

2. 2. Практическое применение: от лаборатории к реальности

Акустическая левитация – это не просто красивые эксперименты, а технология с серьезным практическим потенциалом.

1. Аналитическая химия и фармацевтика. Бесконтактное удержание капель растворов позволяет изучать кинетику химических реакций, процессы кристаллизации и испарения в чистом виде, без влияния стенок сосуда. Это важно для разработки новых лекарственных форм с заданными свойствами.

2. Наука о материалах. Левитация позволяет нагревать и плавить образцы материалов без контакта с тиглем, что исключает загрязнение и позволяет изучать свойства материалов в сверхчистом состоянии. Тигель (от нем. Tiegel — «горшок») — цилиндрическая или коническая невысокая ёмкость с толстыми стенками и дном для нагрева, высушивания, сжигания, обжига или плавления различных материалов.

3. Биология и медицина. Технология используется для управления отдельными клетками, капсулами с лекарствами, создания трехмерных клеточных культур. Левитация мелких биологических объектов позволяет проводить их анализ без механического повреждения.

4. Промышленность. Большой потенциал при использовании для бесконтактной, бесконтейнерной транспортировки микрообъектов и капель при производстве микрочипов.

5. Робототехника. В 2020 году швейцарские исследователи представили роботизированную руку, захват которой способен к акустической левитации. Это должно было повысить точность и эффективность роботов. 

Заключение

Проведенная нами работа, от первичного изучения теоретических основ до создания работающего прототипа, позволила не только продемонстрировать удивительный физический феномен, но и дала нам ценный опыт. Мы убедились, что акустическая левитация — это не магия, а прямое следствие фундаментальных законов физики, в частности, явления стоячих волн и акустического радиационного давления. Наш эксперимент стал наглядным подтверждением теорий, сформулированных еще лордом Рэлеем, и показал, как абстрактные математические модели находят свое материальное воплощение.

Сборка установки потребовала от нас перехода от теории к практике. Мы столкнулись с реальными инженерными задачами: точной калибровкой расстояния между излучателем и отражателем, необходимостью обеспечения их строгой параллельности, подбором частоты и мощности сигнала. Этот процесс научил нас точности, терпению и методичному подходу к решению технических проблем. Мы на собственном опыте осознали, что успех эксперимента зависит от соблюдения множества факторов.

Изучение современных исследований открыло нам горизонты применения акустической левитации. Из любопытного опыта она превратилась в наших глазах в мощный инструмент для науки и промышленности. Мы осознали ее потенциал в фармацевтике для создания чистых веществ, в материаловедении - для изучения свойств расплавов, в биологии - для манипуляции клетками.

Работа над проектом вышла далеко за рамки физики. Она потребовала от нас навыков поиска и анализа информации из научных статей и патентов, развития инженерного мышления, планирования эксперимента и обработки его результатов. Кроме того, совместная работа над сложной задачей стала прекрасным примером того, как эффективная командная работа, основанная на общем интересе и взаимном уважении, позволяет достичь значимых результатов.

Таким образом, данный проект стал для нас значимым шагом в познании мира. Мы не только реализовали поставленную цель, но и прошли полный цикл научного исследования: от формулировки гипотезы и изучения истории вопроса до практической реализации и осмысления широкого контекста. Акустическая левитация предстала перед нами как мост, соединяющий фундаментальную науку XIX века с высокими технологиями будущего, и мы благодарны за возможность стать проводниками в этом увлекательном путешествии от идеи к ее реальному воплощению.

Список использованных источников и литературы

• Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. - 496 с.

• Скорость звука // под. ред. А. М. Прохорова. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 4.

• Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология. - Москва.: Металлургия, 1974.

• Распространение звуковых волн в пространстве [Электронный ресурс]. – URL: http://edwardsemyonov.narod.ru/3/lecture3.html

• Горьков Л.П. О силах, действующих на малую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости// Доклады академии наук СССР. 1961. - Т. 140. - № 1. - С. 88 - 91.

Приложение 1

Теоретическая часть

Приложение 2

Практическая часть

Сборка прототипа акустического левитатора

Шаг 2

Шаг 4

П роверка работоспособности прототипа и подтверждение гипотезы